RESFRIAMENTO DE HORTALIÇAS COM A UTILIZAÇÃO DE VÁCUO
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- Luiz Fernando Bicalho Vilaverde
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1 RESFRIAMENTO DE HORTALIÇAS COM A UTILIZAÇÃO DE VÁCUO Shirley Mayumi Wakavaiachi 1, Diógenes Adriano Ferreira 2, Francisco Tadeu Degasperi 3 1 Aluna do Instituto Tecnológico de Aeronáutica ITA CTA São José dos Campos SP Brasil 2 Aluno do curso Engenharia Elétrica da Faculdade de Engenharia São Paulo FESP São Paulo SP Brasil 3 Pro. Dr. curso MPCE - Faculdade de Tecnologia de São Paulo FATEC-SP CEETEPS São Paulo SP Brasil Resumo Neste trabalho é apresentado o estudo do resriamento da alace crespa (Lactuca) com a utilização de vácuo. Normalmente o resriamento é realizado em uma geladeira intervindo a troca de calor por convecção e condução. A eiciência do processo de resriamento a vácuo oi analisada a partir da variação da temperatura durante a realização do vácuo. As medições de temperatura oram eitas utilizando termopares instalados na amostra a ser resriada. Medições de perda de água por evaporação também oram realizadas, medindo-se a massa antes e depois do bombeamento a vácuo. Para um estudo mais controlado do processo de resriamento a vácuo, oram eitas medições em olhas de papel umedecidas. Nas curvas de resriamento é possível notar que no início, o resriamento é rápido e no inal, o seu resriamento é mais lento. O estudo é justiicado, uma vez que o processo de resriamento de hortaliças a vácuo consome menos energia que o convencional, além de outras vantagens. As bases teóricas são a distribuição de velocidades de Maxwell- Boltzmann dos gases e a lei de Newton do resriamento convectivo. 1. Introdução A técnica de resriamento é uma orma de aumentar o tempo de vida útil de alimentos. No caso das hortaliças, o resriamento é muito utilizado, pois procura manter tanto as propriedades nutricionais quanto o sabor dos alimentos. O resriamento de hortaliças a vácuo é um método eetivo para diminuir a sua atividade enzimática com a inalidade de aumentar a sua vida útil. Esse método é utilizado para resriar alimentos que possuem grande área supericial. A área de exposição é undamental para a eiciência do resriamento a vácuo, uma vez que esse processo é baseado na evaporação da água [1]. As hortaliças são alimentos muito presentes na dieta humana, sendo uma excelente onte de vitaminas e minerais. Em lugares quentes o seu processo metabólico aumenta, com isso, a sua vida útil diminui. As hortaliças são vulneráveis ao ataque de bactérias que podem causar danos, prejudicando a qualidade do produto [2]. O resriamento a vácuo das hortaliças visa auxiliar na diminuição da ação das bactérias que degradam o alimento, tanto devido à baixa temperatura como pela remoção do oxigênio. A alace crespa oi utilizada como exemplo de aplicação a im de estudar sistematicamente o resriamento de hortaliças a vácuo. Foi projetado e construído um sistema de vácuo dedicado para o estudo do resriamento. O trabalho oi realizado no Laboratório de Tecnologia do Vácuo LTV da Faculdade de Tecnologia de São Paulo FATEC-SP CEETEPS. O processo básico de resriamento se dá pela perda de água em orma de vapor das olhas da hortaliça e, consequentemente, perda de energia térmica. Este é o mecanismo do processo de diminuição da temperatura. Esse alimento é constituído em sua maior parte por água, cerca de 95% de sua massa [3]. Durante o processo em vácuo, à medida que a pressão diminui na câmara de vácuo, a temperatura da olha da hortaliça em vácuo diminui. O processo ísico básico está embasado na teoria da distribuição de velocidades de Maxwell- Boltzmann. Como são as moléculas mais energéticas que deixam a olha de alace, ocorre uma diminuição na média das energias das moléculas de água, com isso uma diminuição da temperatura. O mesmo enômeno ocorre no processo de evaporação de líquidos. Como bem estabelecido, todo o processo de evaporação é um processo de resriamento. Na literatura, oi encontrado que no resriamento a vácuo de alaces em culturas hidropônicas, oram obtidos os seguintes dados: o tempo de processo variou de 1014 segundos (16,9 minutos) até 4740 segundos (79 minutos), o consumo de energia de 0,59 kwh até 1,52 kwh, a perda de massa das alaces de 3,0% até 5,4% e a vida de prateleira das alaces de dias até 23 dias. A quantidade de massa de alace e a vazão de gás bombeado pelo sistema de vácuo inluenciaram signiicativamente no tempo de processo, no consumo de energia e na perda de massa das alaces [2]. Ainda, na literatura, oi encontrado que o resriamento a vácuo de alaces se mostrou mais eetivo quando eito de 2ºC até 4ºC [4]. 2. Procedimentos Experimentais Foram realizados três procedimentos experimentais. O primeiro, utilizando tubo de ensaio contendo dierentes massas de água líquida com tampas com dierentes número de uros. No segundo, oi utilizado como amostra, olhas de papel do tipo sulite do tamalho A4 (75 g.m -2 ) Experimentos com tubo de ensaio. O trabalho oi iniciado com o estudo do processo de bombeamento de vapor de água e do ar da câmara de vácuo, onde oram submetidas ao resriamento
2 quantidades de água em tubo de ensaio. O tubo de ensaio oi echado parciamente com tampas com uros. Cada uro com diâmetro de 4 mm. Foram usadas tampas com 2, 3, 4, 5 e 6 uros. O objetivo oi determinar a eiciência do bombeamento de vapor de água através das tampas com uros. Foi medida a temperatura da água por meio de um termômetro de mercúrio colocado diretamente na massa líquida. Assim, oi determinada a variação da temperatura da água no tubo de ensaio em unção do tempo, variando o número de uros na tampa. O sistema utilizado é composto de uma câmara de vácuo tipo campânula em vidro, um condensador, a linha de bombeamento, um ole metálico e a bomba mecânica de duplo estágio da Edwards E2M2 com iltro de entrada, como mostrado no esquema da igura 1. Figura 1. Esquema do arranjo experimental. A medição da temperatura na amostra de água oi realizada durante todo o bombeamento, pois durante o processo de remoção de vapor ocorre a redução de temperatura (conorme a teoria cinética dos gases). Esta orma de medição de temperatura é importante para posteriormente estudar-se o processo de resriamento com alace, pois arejando a câmara de vácuo haverá troca de calor e ela voltará à temperatura ambiente. O tubo de ensaio na câmara de vácuo é mostrado na igura 2. Inicialmente oi utilizada a tampa de 2 uros para resriar volumes de água de 10,, 20, 25, 30 e 35 ml O mesmo procedimento para as tampas com 3, 4, 5 e 6 uros. Exemplos de tampas são mostradas na igura 3. Figura 3. Tampas do tubo de ensaio com dois e cinco uros Experimentos com olhas de papel. O segundo procedimento oi realizado com o propósito de ter maior controle no processo de resriamento a vácuo, para posteriormente utilizar a olha de alace. Utilizando a olha de papel sulite, a área do material a ser resriado é bem determinada e também o seu volume. Para manter a olha de papel bem posicionada na câmara de vácuo oram usadas duas peneiras, ormando uma gaiola, mostrada na igura 4. A massa do papel oi determinada por meio de uma balança analítica. Inicialmente determinou-se a massa do papel exposto à atmosera, obtendo assim M1. A olha de papel oi umedecida e determinada a sua massa M2. Após esses procedimentos a olha de papel oi inserida na câmara de vácuo, dentro da gaiola e iniciouse o processo de bombeamento. Com o termômetro do tipo termopar oi possível medir a evolução temporal da temperatura na olha de papel. Ao estabilizar a temperatura, o processo de bombeamento oi cessado e, em seguida, a câmara de vácuo oi arejada. A olha de papel oi retirada e rapidamente eita a medição da sua massa, obtendo-se M3. Figura 4. Folha de papel amassada na gaiola. Com as experiências realizadas com olhas de papel, oi possível estudar de orma sistemática a variação da temperatura em unção do tempo, considerando a realização do vácuo. Uma vez que a área da olha de papel e o seu volume são bem determinados, oi possível modelar matematicamente o eeito de resriamento com a perda de massa de água por evaporação assistida a vácuo. Figura 2. Câmara de vácuo do arranjo experimental Experimentos com olhas de alace. Os procedimentos realizados com olhas de alace oram repetidos com a mesma sistemática de
3 Temperatura (ºC) Temperatura(ºC) Temperatura (ºC) procedimento experimental utilizada com as olhas de papel. Seu arranjo experimental é mostrado na igura ml ml 20 ml 25 ml 30 ml 35 ml Tempo (s) Tempo(s) Figura 7. Temperatura em unção do tempo para dierentes volumes de água (tampa com dois uros). 10 ml ml 20 ml 25 ml 30 ml 35 ml Figura 5. (a) Arranjo experimental para o resriamento a vácuo e (b) medição da massa com balança analítica. Foram comparados os processos de resriamento convencional (com uso de geladeira) e a vácuo. Primeiramente, oi determinada a massa de dois conjuntos de alace com balança analítica, e obteve-se M4. Junto à alace oi instalado um termômetro tipo termopar e colocado um conjunto em geladeira por aproximadamente uma hora. E o outro conjunto na câmara de vácuo. Após esse procedimento, determinouse a massa da alace e obteve-se M6 (conjunto que oi colocado em geladeira) e M5 (conjunto que oi colocado sob vácuo). 3. Resultados e Discussões 3.1. Experimentos com os tubos de ensaio. Foram obtidos gráicos da temperatura da água em unção do tempo, considerando a variação do número de uros nas tampas. Na igura 7 são apresentados dados experimentais reerentes à tampa com dois uros, para experiências utilizando dierentes volumes de água. Na igura 8 são apresentados dados reerentes à tampa com seis uros. O processo de bombeamento mostra a relação da troca de calor por evaporação da água e unção da área da superície de evaporação da água. Tempo (s) Figura 8. Temperatura em unção do tempo para dierentes volumes de água (tampa com seis uros). As iguras 7 e 8 mostram que quanto menor o volume de água no tubo de ensaio, mais rápido ocorrerá o resriamento. Nas curvas de resriamento obtidas é possível observar que no início do bombeamento a vácuo o resriamento é rápido, e no inal, mais lento. Isso ocorre devido à saída das partículas mais energéticas (undamentada na teoria da distribuição de Maxwell-Boltzmann). À medida que as moléculas de água mais energéticas (maiores energias cinéticas) vão deixando o volume de água líquida a sua temperatura diminui. Isto ocorre devido ao ato de as moléculas de água que permanecem na orma líquida, terem as suas energias cinéticas em média diminuídas. Ainda, na medida em que a temperatura na água líquida diminui, diminui também a taxa de evaporação, e assim, diminui a taxa de resriamento do líquido. Foi veriicado experimentalmente que para um determinado volume de água líquida, o tempo de queda da temperatura é unção do número de uros da tampa do tubo de ensaio. A igura 9 exibe a variação da temperatura no tempo em unção do número de uros da tampa com volume de água líquida de 25 ml. Pode-se
4 Temperatura (ºC) temperatura (ºC) observar que quanto maior o número de uros na tampa mais rápida é a queda da temperatura no volume de água líquida. Isto é devido ao ato de o bombeamento eetivo da água evaporada ser mais intenso com o maior número de uros, uma vez que mais rapidamente o vapor de água poder ser removido do tubo de ensaio. 23 tempo (s) Figura 9. Gráico da evolução temporal da temperatura no volume de água para as várias tampas. O volume inicial de água líquida é de 25 ml. Assim, em termos de grandezas da tecnologia do vácuo, na igura 9 observa-se que para o volume de água líquida inicial de 25 ml quanto maior a condutância, mais eiciente será o bombeamento eetivo do vapor de água. Com isso, maior será a taxa de evaporação de água no tempo, e assim, mais rapidamente ocorrerá o resriamento da água líquida. Pode-se concluir, do exposto acima, que a transerência de calor devido à evaporação é proporcional à área do uro da tampa. A velocidade eetiva de bombeamento aumenta com o crescimento da condutância, e esta cresce com a área do uro da passagem de gases e vapores. Esta relação é expressa matematicamente na equação 1. Q A (1) onde: A é área total de uros da tampa. 1 uro 2 uros 3 uros 4 uros 5 uros 3.2. Experimentos com olhas de papel. Foram obtidos gráicos da temperatura em unção do tempo, para três medições, uma para cada olha de papel, mostradas na igura 10. Vemos as medições de temperatura em unção do tempo: medida 1, medida 2 e medida 3 para cada uma das olhas de papel. Foi obtida a massa para cada olha de papel seca, valor de massa M1. Após a olha de papel umedecida a massa determinada M2, e após a realização do vácuo, a massa da olha de papel, com massa medida M3. Os dados experimentais estão mostrados na tabela I. Adotamos neste trabalho a densidade da água como sendo 1,0 g.cm -3 = 1,0 g. ml tempo (s) Figura 10. Gráico da temperatura em unção do tempo para as olhas de papel sob eeito do vácuo. Tabela I: Medições das massas das olhas de papel. Medida 1 Medida 2 Medida 3 M1 (g) 4,86 4,75 4,71 M2 (g) 7,71 6,92 7,33 M3 (g) 7,45 6,60 7,03 Massa inicial m = M2 - M1 (g) 2,85 2, 2,62 Massa inal M = M3 - M1 (g) 2,59 1,85 2,32 % de água perdida [(m-m)/m]x100% 9,1 14,7,5 A partir dos dados experimentais da tabela I e da igura 10, pode-se observar a queda sistemática da temperatura nas olhas de papel umedecidas. A aixa de diminuição sistemática de temperatura nas olhas de papel oi de ºC a ºC em aproximadamente 100 segundos de bombeamento de vácuo, mostrado na igura. O ormato da gaiola que acomoda o papel é quase esérico, o que conere a gaiola uma condutância muito grande, e certamente não intererirá no processo de bombeamento a vácuo. A velocidade de bombeamento no caso é quase que exclusivamente determinada pela velocidade de bombeamento da bomba de vácuo. medida 3 medida 2 medida 1 medida 1 medida 2 medida 3 % de água perdida Figura. Perda porcentual de massa de água como eeito do processo de bombeamento sob vácuo.
5 temperatura (ºC) 3.3. Experimentos com olhas de alace. Para o resriamento das olhas de alace, oram obtidas curvas experimentais da temperatura em unção do tempo para o resriamento convencional em geladeira e resriamento sob vácuo. Foi medida a massa da alace originalmente de valor M4. Após o processo de resriamento a vácuo, oi obtida a massa da alace M5; e após o resriamento em geladeira (resriamento convencional por condução e convecção natural) oi obtida a massa M6. É pertinente registrar que a geladeira utilizada não tinha sistema de resriamento por meio de movimentação orçada de ar rio, sendo a troca de calor convectiva exclusivamente devido à convecção natural. Na igura 12 é mostrada variação da temperatura no tempo sob resriamento convencional em geladeira e resriamento sob vácuo Figura 12. Gráico da temperatura em unção do tempo, para os resriamentos na geladeira e a vácuo. Tabela II. Medidas realizadas com o experimento da alace. Resriamento a vácuo Geladeira M4 (g) 98,43 92,84 M5 (g) 89,0 M6 (g) 87,3 (1) Água na alace A = 0,95 x M4 (g) 93,5 88,2 Perda de água P = M4 M(5 ou 6) 9,5 5,5 (g) Água que restou na alace 84,0 82,7 R = A P (g) % da água restante: (R / A) x 100% 89,8 93,8 % de perda de água com relação à massa inicial: (P / M4) x 100% geladeira vácuo tempo (s) 9,7 5,9 (1) Segundo a literatura especializada, a quantidade de água na alace é de 95% de sua massa total [3]. A partir da igura 12 e da tabela II, pode-se airmar que em até 3000 segundos (50 minutos), o resriamento a vácuo é mais rápido que na geladeira convencional. A condução de calor se dá devido aos choques moleculares, propagando-se o calor da temperatura maior para a temperatura menor obedecendo à lei de Fourier. Na propagação do calor por meio da convecção natural, o calor se propaga devido à movimentação da massa de ar em porções macroscópicas das regiões com dierentes temperaturas, as chamadas correntes convectivas. Nestes processos de troca de calor, as mudanças de temperatura são lentas, e observa-se que o resriamento dos objetos colocados nas geladeiras convencionais demora a ser realizado. Com a geladeira com movimentação orçada de ar em seu interior, o resriamento é realizado em um tempo menor. Ocorre que o processo de resriamento das geladeiras é intrinsecamente dependente de trocas de calor, e mais, como bem determinado pela termodinâmica, as máquinas térmicas (motores e geladeiras) têm rendimentos em torno de 50%. Por outro lado, o bombeamento a vácuo, baseado intrinsecamente na evaporação da água que compõe parte do material a ser resriado, az com que o processo de resriamento seja eiciente. Veja que deve haver a possibilidade de evaporação de algum líquido, no caso de alimentos, a água é um líquido presente em grandes quantidades. Outro ato que az do processo de resriamento a vácuo atraente para a conservação de alimentos, reside no ato que a remoção de ar da câmara de vácuo leva a uma menor oxidação dos alimentos e um meio não propício para a prolieração de microrganismos aeróbios. De posse dos dados experimentais e da identiicação do enômeno ísico que sustenta o processo de resriamento a vácuo, oi proposta a expressão 2 (um modelo matemático para a determinação da evolução temporal da temperatura) [5]. T( ( T T ). e o ( k. T (2) A construção da expressão 2 considera como sugestão a lei de resriamento de Newton para os processos convectivos. Têm-se como dados experimentais que a perda de energia no resriamento a vácuo depende da área da superície que está sendo resriada, e também, tem-se que à medida que a temperatura do material sob resriamento diminui, diminui-se também a taxa de evaporação. Para obtenção de uma curva teórica, primeiramente precisa-se de um ator de proporcionalidade (- k) obtido por meio dos valores experimentais. Partindo da expressão 2, os dados obtidos são mostrados na tabela III. A partir da orma da expressão 2 e dos dados experimentais do resriamento a vácuo, determina-se o valor de k=2,65 x 10-3 s -1.Com isso obtemos a expressão 3: T( ( T o T ). e ( k. T 3 ( 2, T (. e (ºC) (3) Sendo que, T o =22 C e T o T = ºC.
6 Temperatura ( C) Tabela III. Medições experimentais de temperatura e valores de temperatura a partir de ajustes teóricos. Experimental Teórico Tempo (s) Temperatura (ºC) Temperatura (ºC) 0 22,0 22,0 53,0 20, ,0,8 123,0 18, ,0 18,2 226,0, ,0 16,0 420,0 14, ,0,4 752,0 12, ,0,5 2012,0,1 3012,0,0 A incerteza nas medições do tempo oi considerada como sendo de 1 segundo (uso de cronômetro digital e relexo humano). A incerteza nas medições da temperatura oi considerada como sendo de 0,1 ºC (termômetro termopar digital). A partir da igura é possível notar que a curva experimental da temperatura e a curva teórica estão bem ajustadas, considerando o modelo simples construído [5] Figura. Gráico com a temperatura em unção do tempo para valores experimentais e modelo teórico. 4. Conclusões Experimental Teórico Tempo (s) Veriicou-se experimentalmente que o mecanismo ísico de troca de calor é coerente com a teoria cinética dos gases: - À medida que a temperatura do material secante diminui, diminui também a sua taxa de evaporação. Com isso a temperatura diminui mais lentamente na porção líquida. - A variação da temperatura é maior no início do processo de evaporação da água e diminui com o aumento do tempo. A partir da experiência do bombeamento de um dado volume de água líquida no tubo de ensaio, oi veriicado que a sua temperatura diminui mais rapidamente com o aumento de uros na tampa. Isto corrobora o ato de que um bombeamento mais intenso de vapor de água acarreta maior rapidez na diminuição da temperatura. As experiências com olhas de papel mostraram que quanto maior a área do material secante mais rapidamente ocorre a diminuição da temperatura. Esta conclusão é importante, pois mostra que o processo de secagem a vácuo é eiciente para as hortaliças, pois essas têm em geral uma grande área exposta para uma dada massa. Este processo de resriamento não é eiciente para batata, por exemplo, a não ser que ela seja atiada, aumentando assim sua área de evaporação. As curvas, experimental e teórica, oram obtidas, e mesmo com um modelo simples para o processo de bombeamento a vácuo, oi possível obter uma boa concordância entre elas. O modelo teórico oi construído considerando que o processo de resriamento por evaporação guarda uma semelhança enomenológica com a troca de calor convectiva. Outro ponto de destaque no processo de resriamento a vácuo está no ato que diminuindo a quantidade de oxigênio haverá menor quantidade de microrganismos. O que garante maior vida útil ao alimento. Como ato adicional, cabe mencionar também que o processo de resriamento a vácuo tem vantagens em comparação com o processo de resriamento convencional também do ponto de vista energético. Isto ocorre, pois no resriamento a vácuo a energia é retirada do meio pela remoção direta das moléculas de água mais energéticas. 5. Agradecimentos À empresa PV-PrestVácuo Ltda. pela construção do arranjo experimental. À Mestre Ana Paula Pereira da Silveira do Laboratório de Saneamento Ambiental e Química LABSAN da FATEC-SP pelas discussões e sugestões relevantes. Ao CNPq pela Bolsa de Iniciação Cientíica PIBIC. 6. Reerências [1] MSC. Aonso, M. R. A. - Resriamento a vácuo de alaces hidropônicas - Tese de Doutorado - Universidade Estadual de Campinas- Faculdade de Engenharia de Alimentos Campinas-SP. [2] Aonso, M. R. A.; Junior, V. S. - Resriamento rápido a vácuo de alaces - Universidade Estadual de Campinas - Faculdade de Engenharia de Alimentos - Encontro de Energia no Meio Rural - Setembro de [3]Cengel, Y. A.; Boles, M. A.. Termodinâmica. 5º edição. Editora McGraw Hill. [4]Hunsche, M.; - Pré-Resriamento de rutos e hortaliças - Universidade Federal de Santa Maria - Centro de Ciências Rurais Curso de Agronomia; Monograia - Setembro de 99; Santa Maria-RS. [5] Wakavaiachi, S. M.; Resriamento de hortaliças vácuo Faculdade de Tecnologia de São Paulo FATEC-SP CEETEPS. Trabalho de Conclusão de Curso São Paulo SP.
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